Évaluation des effets de taille et d'architecture sur les propriétés mécaniques et électriques de fils composites métalliques cuivre/niobium fabriqués par déformation plastique sévère

THÈSE

Pour l'obtention du grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées

Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)

(Diplôme National - Arrêté du 25 mai 2016)

École doctorale : Sciences et ingénierie en matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique -SIMMEA (Poitiers)

Secteur de recherche : Milieux denses, matériaux et composants

Présentée par :

Jean Rony Medy

Évaluation des effets de taille et d'architecture sur les propriétés mécaniques et électriques de fils composites

métalliques cuivre/niobium fabriqués par déformation plastique sévère

Directeur(s) de Thèse : Ludovic Thilly, Pierre Olivier Renault Soutenue le 08 décembre 2016 devant le jury

Jury :

Président Olivier Castelnau Directeur de recherche CNRS, ENSAM, Paris

Rapporteur Muriel Véron Professeure, PHELMA, INP de Grenoble

Rapporteur Sebastien Allain Professeur, École des mines, Nancy

Membre Ludovic Thilly Professeur, PPRIME, Université de Poitiers Membre Pierre Olivier Renault Professeur, PPRIME, Université de Poitiers

Membre Patrick Villechaise Directeur de recherche CNRS, PPRIME, ENSMA, Poitiers Membre Florence Lecouturier Ingénieure de recherche CNRS, LNCMI, Toulouse

Pour citer cette thèse :

Jean Rony Medy. Évaluation des effets de taille et d'architecture sur les propriétés mécaniques et électriques de fils

composites métalliques cuivre/niobium fabriqués par déformation plastique sévère [En ligne]. Thèse Milieux

THESE

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS (Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées)

(Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006)

Ecole Doctorale : Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique Secteur de Recherche : Milieux Denses, Matériaux et Composants

Présentée et soutenue le 8 Décembre 2016 par : Jean Rony MEDY

************************

Evaluation des effets de taille et d’architecture sur les propriétés mécaniques et électriques de fils composites métalliques cuivre/niobium fabriqués par déformation plastique sévère

************************ Directeurs de Thèse :

Ludovic THILLY et Pierre-Olivier RENAULT ************************

Membre du JURY

Muriel VERON _{Professeure, PHELMA/INP Grenoble Rapporteur}

Sébastien ALLAIN _{Professeur Ecole des Mines de Nancy Rapporteur}

Florence LECOUTURIER _{Ingénieure de recherche CNRS-LNCMI Toulouse Examinateur} Olivier CASTELNAU _{Directeur de recherche Arts et Métiers ParisTech Examinateur} Patrick VILLECHAISE _{Directeur de Recherche, CNRS-Institut Pprime, Poitiers Examinateur} Pierre-Olivier RENAULT _{Professeur, Université de Poitiers Examinateur}

Ludovic THILLY _{Professeur, Université de Poitiers Examinateur}

Institut Pprime UPR 3346 - Département D1 (Physique et Mécanique des Matériaux) 11, Boulevard Marie et Pierre Curie. BP30179

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au département D1(Physique et Mécanique des Matériaux) de l’Institut Pprime dans le cadre d’un projet ANR-METAFORES

(ANR-12-BS09-0002). Ils sont le fruit de la contribution de nombreuses personnes à qui je souhaite témoigner

toute ma gratitude.

Je tiens tout d’abord à remercier Monsieur Yves GERVAIS, Directeur de l’Institut Pprime pour m’avoir ouvert les portes du laboratoire. J’adresse aussi mes remerciements à professeur Jean-François BARBOT, Directeur du département D1 pour m’avoir accueilli chaleureusement au sein du D1.

J’exprime ma profonde gratitude aux Professeurs Pierre-Olivier RENAULT et Ludovic THILLY pour leurs conseils pertinents tout au long de ces travaux ainsi que pour leurs incessants encouragements. Merci de m’avoir fait confiance et suivi tout au long de ces trois années ! Je ne saurais oublier notre collaboration et nos discussions qui ont largement contribué à ma formation scientifique. Merci de m’avoir confié ce sujet on ne peut plus passionnant et aussi de m’avoir donné les moyens de le mener à bien. Du fond du cœur, je vous remercie PATRONS de me faire bénéficier de vos expériences et compétences durant ces trois fructueuses années !

Je dis un grand merci à Madame Anne TOUZE, Alain MENELLE et Vincent Klosek pour leurs accueil et accompagnement lors de mes passages au Laboratoire Léon Brilloin du CEA de Saclay.

J’adresse mes plus vifs remerciements à Nelson Ferreira et à Florence LECOUTURIER pour leur accueil et leur disponibilité lors de mes passages au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Toulouse. Un grand merci à Florence d’avoir accepté de participer à mon jury de thèse.

Je remercie Fabien VOLPI de SIMAP/Grenoble pour son enthousiasme, sa générosité et son accompagnement dans les mesures de conductivité électrique transversale.

Je tiens à remercier Olivier CASTELNAU, Directeur de Recherche/Arts et Métiers ParisTech, d’avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse. Je suis très touché par l’honneur qu’il m’a fait en acceptant de présider le jury.

J’adresse toute ma gratitude aux professeurs Murielle VERON de PHELMA/INP – Grenoble et Sébastien ALLAIN de l’Ecole des Mines de Nancy pour l’intérêt qu’ils ont accordé à mes travaux en acceptant d’être les rapporteurs.

Je remercie vivement Patrick VILLECHAISE, Directeur de Recherche à l’Institut Pprime de Poitiers pour son aide combien précieuse dans les mesures et les analyses EBSD et aussi d’avoir accepté d’examiner mes travaux de thèse.

Je voudrais témoigner ma reconnaissance envers Henry PROUDHON et Christian MOCUTA pour les essais de déformation in-situ sur la ligne DIFFABS au synchrotron SOLEIL. Merci Henry pour tes conseils et tes encouragements !

Je remercie tous les membres du D1 pour leur disponibilité, leur générosité et leur bonne humeur. Je m’en voudrais de ne pas remercier particulièrement Anne-Marie ARCHAMBAULT, Bruno LAMONGIE, Patrick TANGUY pour leur soutien sans faille dans la préparation des échantillons.

Merci à tous les collègues doctorants pour leur sympathie et le respect qu’ils ont témoigné à leur Honorable Doyen. Je ne saurais oublier les agréables et sympathiques pauses (parfois prolongées) passées ensemble ; merci pour les parties de coinche, les quelques visites chez moe’s à la recherche d’un peu de liquide. Un grand merci à Jack pour sa fidélité inconditionnelle !!

Je m’en voudrais de ne pas témoigner toute ma reconnaissance envers tous les membres de ma famille qui ont su, indépendamment de la distance qui nous a séparée, m’accompagner durant mon « long » séjour en France. J’ai une pensée spéciale à Lesly, mon ami de toujours, pour sa fidélité, son soutien, ses encouragements, … ; merci Bro ! Merci à Béatrice et Patricia d’avoir pris soins de mon fils durant mon absence !

Je voudrais terminer cette partie en témoignant vivement ma gratitude à toutes celles et tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à faire de ces années de thèse une réussite ! Je pense spécialement aux membres de l’ANR-METAFORES qui, lors des réunions, m’ont toujours soutenu, encouragé et conseillé. Un grand merci à Tang pour nos passionnantes discussions !

Résumé

Evaluation des effets de taille et d’architecture sur les propriétés mécaniques et électriques de fils composites métalliques cuivre/niobium fabriqués par déformation plastique sévère.

Mots-clés : Conductivité électrique, Texture, Diffraction d’électrons rétrodiffusés, Diffraction de neutrons,

Déformation in-situ.

Les fils composites Cu/Nb étudiés ici sont d’excellents candidats pour les bobines non destructives générant des champs magnétiques pulsés intenses (B ≥ 100T). Ils sont fabriqués par Accumulative Drawing and Bundling (ADB) et sont constitués de renforts continus de Nb dans une matrice multi-échelles de Cu. Ces travaux rentrent dans le cadre du projet METAFORES (ANR-12-BS09-0002), visant l’évaluation des effets de taille et d’architecture sur les propriétés des conducteurs Cu/Nb. L’objectif principal consiste donc à caractériser leur microstructure et leurs propriétés à chaque étape de la fabrication par différentes techniques de caractérisation. Des essais mécaniques et électriques montrent une augmentation de la limite d’élasticité avec l’affinement de la microstructure tout en conservant une conductivité électrique adéquate. Les études de la texture globale par DRX ont mis en évidence trois composantes de texture de fibre dont deux pour la matrice de Cu (<111> et <100>) et une composante unique <110> pour le Nb. On retrouve ces trois composantes de texture dans les analyses locales (EBSD), cependant les proportions relatives des composantes du Cu varient en fonction du nombre de cycles ADB. Les essais de déformation in-situ sous neutrons ont mis en évidence des comportements élasto-plastique et purement élastique des familles de grains {111} du Cu et {110} du Nb respectivement, quels que soient les échantillons. Pour la famille {200} du Cu, le comportement mécanique varie en fonction du nombre de cycles ADB. Tous ces résultats viendront nourrir les simulations effectuées dans le cadre du projet METAFORES (Thèse de Tang Gu, ENSAM-Paris/Mines ParisTech).

Abstract

Size and Architecture effects on mechanical and electrical properties of copper/ niobium composites wire fabricated by severe plastic deformation.

Key words: Electrical conductivity, Texture, Electron Backscattered Diffraction, Neutron diffraction, In-situ

Deformation.

High strength and high conductivity Cu/Nb composites studied here are very good candidates for the design of magnets generating high pulsed magnetic fields (B ≥ 100T). They are fabricated by Accumulative Drawing and Bundling (ADB) and are constituted with a multi-scale Cu matrix embedding continuous Nb filaments that are distributed in a controlled manner. This study is performed within the framework of the METAFORES project (ANR-12-BS09-0002) aiming at assessing size and architecture effects on properties of these Cu/Nb conductors. The main purpose is therefore to characterize the microstructure and properties of these conductors at different stages of the fabrication process. Mechanical and electrical results show an increase in yield strength while maintaining adequate electrical conductivity. Global texture studies confirm three fiber texture components: two for the Cu matrix (<111> and <100>) and a single component <110 > for Nb. These three texture components are also observed at the local scale analysis (EBSD); however, the volume fractions of the Cu components locally depend on the number of ADB cycles. In-situ deformation tests under neutrons reveal elastic-plastic and purely elastic behaviors of the {111} Cu and {110} Nb grains family respectively, whatever the samples. However, for the {200} Cu grains family, mechanical behavior strongly depends on the number of ADB cycles. These results will feed the simulations conducted in the METAFORES project (Thesis of Tang Gu,

Introduction Générale ____________________________________________________________ 1

Chapitre I : Synthèse Bibliographique ________________________________________________ 8

I.1 – Définitions __________________________________________________________________ 8 I.2- Défauts dans les matériaux cristallins _____________________________________________ 9

I.3– Les grandes classes de matériaux _______________________________________________ 10

I.3.1- Matériaux composites ___________________________________________________________ 11 I.3.2- Matériaux multifonctionnels ______________________________________________________ 12 I.3.3- Matériaux hybrides ______________________________________________________________ 13 I.3.4- Matériaux nanostructurés ________________________________________________________ 15

I.3.4.1- Affinement microstructural et plasticité cristalline ___________________________________________ 16 I.3.4.2- Obtention des Matériaux nanostructurés __________________________________________________ 17 I.3.4.3- Techniques de déformation plastique sévère _______________________________________________ 18 I.3.4.4- Extrusion et ré-empilements successifs (ou ADB : Accumulative Drawing and Bundling) _____________ 18 I.3.4.5- Limites de l’affinement des microstructures par les techniques de SPD. __________________________ 19

I.3.5- Matériaux architecturés __________________________________________________________ 20

I.4- Etat de l’art sur Les composites métalliques à matrice de cuivre ______________________ 21

I.4.1- Composites à matrice métallique ___________________________________________________ 22 I.4.2- Composites cuivre/niobium _______________________________________________________ 23

I.4.2.1- Conducteurs Cu/Nb fabriqués par ARB ____________________________________________________ 24 I.4.2.2- Microstructure des composites Cu/Nb fabriqués par ARB _____________________________________ 24 I.4.2.3- Texture cristallographique dans les composites Cu/Nb fabriqués par ARB ________________________ 25 I.4.2.3- Présentation des cuivre/niobium fabriqués par ADB__________________________________________ 28 I.4.2.4- Microstructure des composites cuivre/niobium fabriqués par SPD ______________________________ 30 I.4.2.5.- Texture cristallographique dans les composites Cu/Nb _______________________________________ 30 I.4.2.6- Taille et morphologie des grains __________________________________________________________ 31 I.5- Bilan ______________________________________________________________________ 35

Références _____________________________________________________________________ 36

Chapitre II : caractérisation des propriétés physiques des conducteurs Composites

cuivre/niobium filamentaires (Cu/Nb-F) __________________________________________________ 40

II.0- Caractéristiques dimensionnelles des échantillons _________________________________ 40

II.1- Introduction ________________________________________________________________ 41

II.2- Caractérisation mécanique ____________________________________________________ 42

II.2.1- Essai de traction uni-axiale, généralités _____________________________________________ 42

II.2.1.1- Notions de contrainte et de déformation __________________________________________________ 43 II.2.1.2- Diagramme conventionnel de traction ____________________________________________________ 44 II.3 - Déformation plastique des matériaux métalliques ________________________________ 46

II.3.1- Evolution microstructurale au cours de la déformation plastique ________________________ 48 II.3.2- Durcissement mécanique des conducteurs Cu/Nb-F ___________________________________ 49

II.4- Machine de Traction uni-axiale ________________________________________________ 51

II.5- Dispositif expérimental _______________________________________________________ 52

II.6- Résultats pour l’étage n = 852 __________________________________________________ 54 II.7- Résultats pour l’étage n = 853 __________________________________________________ 55 II.8- Résultats des calculs de durcissement mécanique __________________________________ 57

II.9- Caractérisation électrique des conducteurs Cu/Nb-F _______________________________ 59

II.9.1- Conductivité électrique : généralités _______________________________________________ 59

II.9.1.1- influence des défauts cristallins sur la conductivité électrique _________________________________ 61

II.9.2- Dispositif expérimental __________________________________________________________ 62 II.9.3- Mesure de conductivité longitudinale ______________________________________________ 64 II.9.4 - Mesure de conductivité transverse ________________________________________________ 64

II.9.4.1- Principe de la mesure __________________________________________________________________ 65 II.10- Résultats des mesures longitudinales __________________________________________ 66

II.11- Résultats des mesures transverses _____________________________________________ 70

II.12- Bilan _____________________________________________________________________ 74

Références _____________________________________________________________________ 75

Chapitre III : caractérisation microstructurale des composites cuivre/niobium filamentaires (Cu/Nb-F) __________________________________________________________________________ 79

III.1- Introduction _______________________________________________________________ 79

III.2- Caractérisations microstructurales _____________________________________________ 79

III.3- Caractérisation de la texture globale par diffraction des rayons X. ___________________ 80

III.3.1- Orientation cristalline __________________________________________________________ 80 III.3.2- Analyse quantitative de texture cristallographique ___________________________________ 81 III.4- Etude de la texture globale des Cu/Nb-F par diffraction des rayons X ______________________ 82 III.4.1- Obtention des figures de pôles ___________________________________________________ 82 III.4.2- Détermination de la FDOC _______________________________________________________ 84 III.4.3- Résultats de l’échantillon N = 852 __________________________________________________ 85 III.4.4- Résultats de l’échantillon N = 853 __________________________________________________ 88

III.5- Etude de la texture locale par Microscopie électronique à balayage __________________ 90

III.5.1- Les électrons rétrodiffusés _______________________________________________________ 91 III.5.2- Principe de la technique EBSD ____________________________________________________ 92

III.5.3.2- Contrôle de la planéité et de l’écrouissage des surfaces ______________________________________ 96

III.5.4- Acquisition des diagrammes de diffraction EBSD _____________________________________ 98 III.5.5 – Présentation des résultats _____________________________________________________ 101

III.5.5.1- Résultats pour l’échantillon N = 851 _{_____________________________________________________ 101}

III.5.5.2- Résultats pour l’échantillon N = 852 _{_____________________________________________________ 102}

III.5.5.3- Résultats pour l’échantillon N = 853 _{_____________________________________________________ 106}

III.5.5.4- Résumé des résultats EBSD ____________________________________________________________ 110 III.6- Comparaison DRX/EBSD ____________________________________________________111

III.7 – Bilan ___________________________________________________________________112 Références ___________________________________________________________________113 Chapitre IV : déformation in-situ des composites cuivre/niobium filamentaires (Cu/Nb-F) couplée à la diffraction des neutrons et des rayons X. _____________________________________________116

IV.1- Introduction ______________________________________________________________116

IV.2- Le neutron : caractéristiques et propriétés ______________________________________116

IV.2.1- Interaction neutron-matière ____________________________________________________ 116

IV.3- Production et classification des neutrons _______________________________________117

IV.4- Quelques applications des neutrons ___________________________________________118

IV-5 : Essais de déformation in-situ couplés à la diffraction des neutrons __________________119

IV-5.1 : Dispositif expérimental ________________________________________________________ 120

IV-5.1.1- Le diffractomètre ___________________________________________________________________ 121 IV-5.1.2- La machine de traction _______________________________________________________________ 123 IV.5.1.3- Les détecteurs bidimensionnel et ponctuel _______________________________________________ 124 IV.5.1.4- Déroulement des essais ______________________________________________________________ 125

IV.5.2- Comportement mécanique des familles de grains ___________________________________ 126 IV.5.3- Exploitation des données de diffraction ___________________________________________ 127 IV.5.4- Calcul de la déformation locale __________________________________________________ 129

IV.6- Résultats _________________________________________________________________130

IV.6.1- Résultats de l’échantillon N = 852 / Essai réalisé avec le détecteur 2D ___________________ 132 IV.6.2- Résultats des échantillons N = 852 et N = 853 / Essais réalisés avec le détecteur ponctuel. ___ 133

IV.7- Essai de déformation in-situ couplés à la diffraction des rayons X ___________________136

IV.7.1- Le rayonnement synchrotron ____________________________________________________ 136 IV.7.2- Dispositif expérimental ________________________________________________________ 137 IV.7.3- Traitement des données ________________________________________________________ 138 IV.7.4- Résultats ____________________________________________________________________ 139

IV.8- Bilan ____________________________________________________________________144

Références ___________________________________________________________________145 Chapitre V : Effets de taille et d’Architecture : discussion et confrontation expériences/simulation _________________________________________________________________________________147

V.1- Introduction _______________________________________________________________147

V.2.1- Microstructure/architecture et propriétés électriques macroscopiques __________________ 147

V.2.1.1- Conductivité électrique longitudinale ____________________________________________________ 148 V.2.1.2- Conductivité électrique transverse ______________________________________________________ 149

V.2.2- Microstructure/architecture et propriétés mécaniques macroscopiques _________________ 151

V.2.2.1- Préambule _________________________________________________________________________ 151 V.2.2.2- Résultats ___________________________________________________________________________ 152

V.2.3- Microstructure/Architecture et propriétés mécaniques « locales » ______________________ 156

V.3- Confrontation expériences/simulation _________________________________________161

V.3.1- Simulations en champ moyen et en champ complet __________________________________ 161 V.3.2 - Simulation des propriétés électriques des conducteurs Cu/Nb-F _______________________ 162

V.3.2.1 – Conductivité électrique longitudinale ___________________________________________________ 163 V.3.2.2 – Conductivité électrique transverse _____________________________________________________ 164

V.3.3- Simulation des propriétés mécaniques ____________________________________________ 165

V.4- Bilan _____________________________________________________________________170

Références ___________________________________________________________________172 Conclusion générale et perspectives _______________________________________________174

Introduction générale

1

Introduction Générale

Les matériaux font partie de notre vie quotidienne et ont été sans doute utilisés dès l’apparition de l’homme sur terre pour la fabrication de son habitat, de ses vêtements, des armes de chasse et/ou de guerre. Ils ont toujours été au cœur des grandes étapes de l’évolution de l’humanité ; ils sont même utilisés pour distinguer les différentes étapes de notre évolution : Age de pierre, Age de bronze, Age du fer [1]_{. Aujourd’hui, certains parlent de} l’Age des « nouveaux matériaux ».

L’une des questions que tout spécialiste en science et ingénierie des matériaux se pose constamment est la suivante : comment rendre les systèmes les plus performants possibles

tout en ayant un poids minimum. Et, en ce sens, nous pouvons dire qu’ils s’en sortent assez

bien dans p_{lusieurs domaines d’applications des matériaux. A titre d’exemple, le premier} ordinateur commercialisé à usage civile par IBM vers les années 1940, UNIVAC 1 (UNIVersal Automatic Computer), faisait environ 13 tonnes et occupait une surface au sol de plus de 20m2. Grâce aux progrès réalisés en science et ingénierie des matériaux, la microélectronique est née et aujourd’hui nous transportons les ordinateurs dans nos poches.

Avec les développements technologiques, dans pratiquement tous les domaines d’utilisation des matériaux, on s’est très vite rendu compte des limites intrinsèques des matériaux monophasés. En effet, un matériau monophasé présente rarement une combinaison des propriétés pouvant garantir le bon fonctionnement des systèmes dans lesquels il est utilisé. Très souvent, les cahiers des charges exigent une synergie de propriétés antagoniques comme résistance mécanique et ductilité élevées - _{haute limite d’élasticité et conductivité électrique} élevée1 - grande ténacité et bonne tenue en température - ... Par ailleurs, avec la découverte et les améliorations de plus en plus spectaculaires de la microscopie, la matière est sondée aujourd’hui à des échelles allant du micromètre à l'angström (10-10_{m). Les microstructures des} matériaux sont étudiées dans les moindres détails et leurs modifications permettent l’obtention de matériaux avec des propriétés spécifiques exceptionnelles. Par exemple, on compte aujourd’hui des centaines de nuances d’aciers obtenus par modifications microstructurales et/ou par ajo_{ut d’éléments d’addition. Ainsi, les aciers austénitiques monophasés TWIP} (TWinning Induced Plasticity) à haute teneur en manganèse offrent une combinaison résistance mécanique/ductilité bien supérieure aux aciers à matrice ferritique utilisés dans le domaine de la construction automobile [2]. Et, pour la combinaison haute limite d’élasticité/conductivité électrique élevée, nous pouvons citer les composites métalliques à matrice de cuivre : Cu/W et Cu/Mo [3] Cu/Nb, Cu/Ta Cu/Ag [4 - 9], Cu/Ag [10], Cu/C [11] Cu/Cr, Cu/Ni [12, 13].

Les champs d’applications nécessitant une synergie entre deux ou plusieurs propriétés des matériaux sont nombreux. Pour illustrer ces exigences, prenons comme exemple la fabrication des bobines pour la production de champ magnétique intense. En effet, la demande en champ magnétique, toujours croissante, concerne différents domaines d’applications : de la recherche en physique de la matière condensée à la fusion nucléaire par confinement

1_{La limite d’élasticité peut être augmentée écrouissage, effet d’alliage et réduction de la taille des grains ; autant}

2

magnétique2 en passant par des disciplines telles que la médecine, la chimie, la biologie, la géologie, la mise en forme des matériaux (par magnéto-formage) pour ne citer que celles-là. Pour la production de champ magnétique supérieur à celui du plus fort aimant naturel, on utilise des électroaimants constitués de bobines de fil électrique dans lequel on fait passer un courant ; l’intensité du champ produit au centre de la bobine augmente avec la valeur du courant électrique. Cependant, un courant trop fort peut faire fondre la bobine via les échauffements par effet joule et un champ magnétique trop intense risque de la faire exploser en raison de la forte pression magnétique générée par les forces de Lorentz. Le fil utilisé pour le bobinage des bobines destinées à générer des champs magnétiques intenses doit donc combiner une limite d’élasticité élevée et une conductivité électrique adéquate.

Plusieurs solutions technologiques sont proposées : les champs magnétiques non destructifs continus (B ≈ 45T) ; les champs magnétiques pulsés non destructifs (B ≤ 100T) ; les champs magn_{étiques semi destructifs (B ≤ 300T) [14] ; les champs magnétiques} destructifs générant des champs jusqu’à 2000T [15]. Cependant, la solution la moins onéreuse pour la production de champ magnétique intense consiste à utiliser des bobines pulsées. Le matériau utilisé pour le bobinage doit alors combiner une limite d’élasticité élevé (environ 2GPa pour 100T) et une conductivité électrique élevée pour limiter l’échauffement par effet Joule. Aujourd’hui, les champs magnétiques pulsés les plus intenses sont obtenus à l’aide de conducteurs renforcés refroidis à l’azote liquide (pour limiter la surchauffe lors des tirs de champ magnétique). A ce titre, les conducteurs micro-et (nano)-composites cuivre/niobium se positionnent comme d’excellents candidats pour le bobinage des bobines générant des champs magnétiques pulsés intenses et de longues durées (≈ quelques ms). Le diagramme limite d’élasticité versus résistivité électrique de la figure 1, propose une comparaison de ces deux propriétés pour le cuivre, le niobium, et un composite Cu/Nb équivalent obtenu par la loi des mélanges. Les propriétés obtenues pour les nanocomposites architecturés Cu/Nb apparaissent meilleures que les autres matériaux présents sur le diagramme, preuve de leur excellente combinaison limite d’élasticité/ résistivité électrique.

2 _{Le confinement magnétique consiste à piéger et maintenir à très haute température un plasma dansune}

Introduction générale

3

Figure 1 : Diagramme limite d’élasticité versus résistivité électrique mettant en évidence la synergie des propriétés mécaniques et électriques des conducteurs composites nanostructurés et architecturés Cu/Nb fabriqués par déformation plastique sévère [16].

Depuis les travaux de F. Dupouy-Lecouturier où les formidables propriétés mécaniques et électriques des nanocomposites cuivre/niobium et la faisabilité de leur élaboration ont été démontrées [17], plusieurs travaux de recherche ont été menés en vue de la caractérisation et de l’optimisation du procédé d’élaboration de ces conducteurs. Citons, entre autres, les travaux de L. Thilly [18] sur la détermination des paramètres d’optimisation des propriétés des nanocomposites Cu/Nb, dits de « première génération » (52x106 filaments continus de Nb dans une matrice de Cu), qui ont permis l’obtention d’un conducteur présentant une limite d’élasticité en traction de 1,9GPa pour une résistivité de 0,58µΩcm [18]. Cependant, des ruptures internes lors de la dernière étape d’élaboration ont empêché d’obtenir des longueurs suffisantes pour la fabrication de bobine. Dans ce même ordre d’idée, les travaux de V. Vidal [19], consacrés principalement à l’optimisation de la géométrie des renforts et la précision du lien entre la microstructure et les mécanismes de co-déformation des nanocomposites (dits de « deuxième génération » : 85x106 tubes ou filaments de Nb dans la matrice de Cu) ont permis de retarder considérablement l’apparition des fissures, mais les longueurs étaient encore insuffisantes pour la fabrication de bobines. La poursuite de l’optimisation du procédé d’élaboration avec la thèse de J.-B. Dubois [20] sur, notamment, l’évolution de la texture avec les traitements thermiques a permis l’obtention de plus grandes longueurs de fil sans défauts et a aussi confirmé les bonnes propriétés de co-déformation du cuivre et des renforts de niobium. Les résultats obtenus ont ainsi permis d’envisager l’élaboration de bobines non destructives à l’aide de fils Cu/Nb générant plus de 80T au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Toulouse (LNCMI). A l'issue de la thèse de J.-B. Dubois, il a été prévu l'élaboration de longueurs suffisantes pour la

4

fabrication de bobines générant environ 100T, moyennant une optimisation du procédé d'élaboration.

Les travaux présentés dans ce manuscrit rentrent dans le cadre du projet ANR-METAFORES (ANR-12-BS09-0002) visant le couplage de résultats expérimentaux et de simulations en vue d’évaluer les effets de taille et d’architecture sur les propriétés mécaniques et électriques des conducteurs composites Cu/Nb. Le projet METAFORES que l'on peut traduire du titre anglais par « Matériaux à architecture élémentaire sur mesure pour réponse fonctionnelle optimisée : de l'expérience à la simulation », s'articule autour de trois axes avec la participation de cinq laboratoires français (Institut Pprime de Poitiers, LNCMI de Toulouse, LLB, CDM et PIMM)3 _{. L'axe 1 vise à fournir des données précises et pertinentes sur la taille}

et la géométrie des grains, la texture cristallographique et les propriétés macroscopiques des fils composites en vue d'assurer, au niveau de l’axe 2, une représentation robuste et réaliste de la microstructure dans les calculs de modélisation micromécanique et électrique. Le troisième axe, à travers des mesures de déformation in-situ, doit permettre d’évaluer les propriétés mécaniques de chaque phase et/ou des différentes familles de grains constituant la microstructure des nanocomposites Cu/Nb. Enfin, le couplage des différents résultats des simulations (obtenus durant la thèse effectuée par Tang GU à ENSAM-Paris et Mines ParisTech dans le cadre du projet METAFORES) et des expériences sera réalisé, en vue d'évaluer les rôles de l'architecture et de la microstructure sur les propriétés de ces conducteurs, pour la définition de critères de conception optimisés.

Les travaux de ce mémoire, de nature expérimentale, s’inscrivent dans les axes 1 et 3 décrits précédemment. Pour cela, il a été fait appel à plusieurs techniques pour la caractérisation de la microstructure et des propriétés (mécaniques et électriques) de conducteurs Cu/Nb-F (« F » pour « filamentaire »). La structure de ce mémoire reflète cette approche expérimentale :

Au chapitre I, nous essayerons d’aborder les principaux termes utilisés dans le manuscrit pour ensuite faire une synthèse bibliographique sur les grandes classes de matériaux métalliques et le concept d’architecture ; nous terminerons le chapitre par la présentation des composites cuivre/niobium fabriqués par Accumulative Roll Bonding (ARB) et Accumulative Drawing and Bundling (ADB).

Les chapitres II à IV seront consacrés à la caractérisation de la microstructure, des propriétés mécaniques et électriques. En particulier, le chapitre II présentera les résultats des essais mécaniques via des tests de traction uniaxiale et des mesures de conductivité électrique longitudinale et transversale. Au chapitre III, nous présenterons les résultats des analyses de la texture cristallographique globale (par diffraction des rayons X) et locale (par diffraction des électrons rétrodiffusés). Le chapitre IV sera consacré à la déformation in-situ couplée à la diffraction des neutrons et des rayons X.

3

LLB : Laboratoire Léon Brillouin du CEA- CDM : Centre Des Matériaux - MINES ParisTech_, Laboratoire

rattaché à l'Ecole des Mines de Paris - PIMM : Laboratoire Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux rattaché à l’ENSAM Paris.

Introduction générale

5

Le chapitre V est divisé en deux parties. Dans la première partie, nous discuterons des résultats présentés aux chapitres II à IV tout en essayant de dégager la synergie qui existe entre la microstructure et l’architecture des fils composites Cu/Nb. La deuxième partie sera consacrée à une confrontation des résultats expérimentaux et de simulations pour les propriétés mécaniques et électriques.

6

Références

[1] Alain CORNET, Françoise HLAWKA, Propriétés et comportements des matériaux, Paris: Ellipses Edition Marketing S.A., 2003.

[2] Sébastien ALLAIN, Mémoire HDR, «Comportement mécanique des aciers : des mécanismes fondamentaux à la déformation macroscopique,» Université de Lorraine, Metz, 2012.

[3] A. Kelly, W. R. Tyson, «Tensile properties of fiber-reinforced metal: Copper/Tungsten and Copper/Molybdenum,» J. Mech. Phys. Solids., vol. 13, pp. 329 - 350., 1965.

[4] Dierk Raabe, Frank Heringhaus, Ude Hangen and Gunter Gottstein, «Investigation of a Cu-20 mass% Nb in situ Composite, Part II: Electromagnetic Properties and Application,» Z. Metallkd, vol. 86, n° %1 6, pp. 416-422, 1995.

[5] K. Han, A. C. Lawson, J. T.Wood, J. D. Embury, R. B.Von Dreele, J.W. Richardson, Jr, «Internal stresses in cold-deformed Cu–Ag and Cu–Nb wires,» Philosophical Magazine, vol. 84, n° %124, p. 2579–2593, 2004.

[6] L. Thilly, M. Véron, O. Ludwig, F. Lecouturier, «Deformation mechanism in high strength Cu/Nb nanocomposites,» Materials Science and Engineering A, vol. 309–310, p. 510–513, 2001.

[7] P. D. KROTZ, W. A. SPITZIG and F. C. LAABS, «High Temperature Properties of Heavily Deformed Cu-20%Nb and Cu-20% Ta Composites,» Materials Science and Engineering, A , vol. 110, pp. 37-47, 1989.

[8] J.S. Carpenter , S.C. Vogel, J.E. LeDonne, D.L. Hammon, I.J. Beyerlein, N.A. Mara, «Bulk texture evolution of Cu–Nb nanolamellar composites during accumulative roll bonding,» Acta Materialia

, vol. 60, p. 1576–1586, 2012.

[9] K.A.Darling, E.L.Huskins, B.E.Schuste, Q.Wei, L.J.Kecskes, «Mechanical properties of a high strength Cu–Ta composite at elevated temperature,» Materials Science& Engineering A , vol. 638, p. 322–328, 2015.

[10] Z. Rdzawski, W. Głuchowski, J. Stobrawa, W. Kempiński,B. Andrzejewski, «Microstructure and properties of Cu–Nb and Cu–Ag nanofiber composites,» Archives of of civil and mechanical

engineering, vol. 15, p. 689 – 697, 2015.

[11] Evarice Yama Nzoma, Alain Guillet, and Philippe Pareige, «NanostructuredMultifilamentary Carbon-Copper Composites: Fabrication,Microstructural Characterization, and Properties,»

Introduction générale

7

Journal of Nanomaterials, vol. 2012, p. 11, 2012.

[12] A. Misra, M. Verdier, Y.C. Lu, H. Kung, T.E. Mitchell, M. Nastasi and J.D. Embury, «Structure and Mechanical Properties of Cu-X (X=Nb,Cr,Ni) Nanolayered Composites,» JOHN HIRTH

SYMPOSIUM, vol. 39, pp. 555-560, 1998.

[13] N.A. Mara, D. Bhattacharyya, R.G. Hoagland and A. Misra, «Tensile behavior of 40 nm Cu/Nb nanoscale multilayers,» Scripta Materialia, vol. 58, p. 874–877, 2008.

[14] "High Magnetic Field Science and Its Application in the United States: Current Status and Future Directions," National Academies Press, Washintong DC, 2013.

[15] François Debray, Paul Frings, «State of the art and developments of high field magnets at the “Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses”,» Comptes Rendus Physique, vol. 14, p. 2–14, 2013 .

[16] K. Spencer, F. Lecouturier, L. Thilly, J.D. Embury, Adv. Eng. Mat., vol. 290, pp. 6-5, 2004.

[17] Florence DUPOUY, Rapport de thèse, «Contribution au Développement des Champs Magnétiques Pulsés très Intenses: R & D des Conducteurs Renforcés,» INSA-Toulouse, Toulouse, 1995.

[18] Ludovic Thilly, Rapport de thèse, «Exploration théorique et expérimentalede fils « nanocomposites continus » présentant des propriétés extrêmes de conductivité électrique et de limite élastique.Application future : coilin 100 T,» Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse, Toulouse, 2000.

[19] Vanessa VIDAL, Rapport de thèse, «Optimisation des propriétés mécaniques des conducteurs nanofilamentaires Cu/X- X=Nb ou Ta,» Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse, Toulouse, 2006.

[20] Jean-Baptiste DUBOIS, Rapport de thèse, «Conducteurs nanocomposites métalliques élaborés par déformation plastique sévère : formation et stabilité thermo-mécanique des nanostructures, propriétés induites,» Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées de l'université de Poitiers, Poitiers, 2010.

CHAPITRE I : SYNTHESE

BIBLIOGRAPHIQUE

7

Chapitre I : Synthèse Bibliographique ... 8 I.1 – Définitions ... 8 I.2- Défauts dans les matériaux cristallins ... 9 I.3– Les grandes classes de matériaux ... 10

I.3.1- Matériaux composites ... 11 I.3.2- Matériaux multifonctionnels ... 12 I.3.3- Matériaux hybrides ... 13 I.3.4- Matériaux nanostructurés ... 15 I.3.4.1- Affinement microstructural et plasticité cristalline ... 16 I.3.4.2- Obtention des Matériaux nanostructurés ... 17 I.3.4.3- Techniques de déformation plastique sévère ... 18 I.3.4.4- Extrusion et ré-empilements successifs (ou ADB : Accumulative Drawing and Bundling) ... 18 I.3.4.5- Limites de l’affinement des microstructures par les techniques de SPD. ... 19 I.3.5- Matériaux architecturés ... 20

I.4- Etat de l’art sur Les composites métalliques à matrice de cuivre ... 21

I.4.1- Composites à matrice métallique ... 22 I.4.2- Composites cuivre/niobium ... 23 I.4.2.1- Conducteurs Cu/Nb fabriqués par ARB ... 24 I.4.2.2- Microstructure des composites Cu/Nb fabriqués par ARB ... 24 I.4.2.3- Texture cristallographique dans les composites Cu/Nb fabriqués par ARB... 25 I.4.2.3- Présentation des cuivre/niobium fabriqués par ADB ... 28 I.4.2.4- Microstructure des composites cuivre/niobium fabriqués par SPD ... 30 I.4.2.5.- Texture cristallographique dans les composites Cu/Nb... 30 I.4.2.6- Taille et morphologie des grains ... 31

I.5- Bilan... 35 Références ... 36

Synthèse bibliographique

8

Chapitre I : Synthèse Bibliographique

Ce chapitre est dédié à une synthèse bibliographique sur les matériaux nanostructurés et/ou architecturés avec un focus sur les composites à base de cuivre. Dans un premier temps, nous essayerons, dans la mesure du possible, de donner une définition des principaux termes et expressions abordés dans ce manuscrit. Nous ferons, dans un deuxième temps, une introduction sur les principaux constituants de la matière avant de donner un classement non exhaustif des grandes classes de matériaux et leurs principales propriétés. La dernière section traitera des composites cuivre/niobium fabriqués essentiellement par déformation plastique sévère.

I.1 – Définitions

Science des Matériaux :La science (ou science et ingénierie) des matériaux est un domaine

interdisciplinaire de la science qui étudie et manipule la composition, la structure des matériaux sur des échelles allant du nanomètre au mètre (voire plus) dans le but de contrôler les propriétés des matériaux grâce à des procédés de synthèses et de traitements. L’une des principales missions du scientifique en science des matériaux consiste en l’établissement des relations entre les performances d’un matériau et sa microstructure, sa composition. La science des matériaux se focalise donc sur les relations sous-jacentes entre la synthèse et le traitement, la structure et les propriétés des matériaux.

Cristal : D’une manière générale, un cristal est un matériau dont le cliché de diffraction est

essentiellement constitué de point. En d’autres termes, la plupart de l’intensité est localisée sur des pics de Bragg relativement étroits [1]. Certains cristaux sont constitués à partir d’un motif atomique se répétant périodiquement dans les trois directions de l’espace et engendrant ainsi un réseau. Dans ce cas, la maille cristalline est entièrement décrite par :

- Les longueurs a, b, et c des arêtes appelées « paramètres de maille du cristal » - _{Les angle α, β, γ formés respectivement par les arêtes (a,b), (a,c) et (c,b)} - La nature, la position et le nombre d’atomes formant l’édifice.

Réseau cristallin : un réseau (objet mathématique descriptif) est constitué par un ensemble de

points appelés nœuds ; à chaque nœud de ce réseau se trouve un motif (objet physique) qui, dans le cas d’un matériau, peut être un atome, une molécule ou un ion. Dans un cristal, toute droite passant par deux nœuds du réseau est appelée « rangée cristalline ». Tous les autres nœuds du réseau peuvent être décrits par des rangées parallèles à la première rangée considérée et l’ensemble des rangées ainsi considéré porte le nom de « famille de rangées cristallines ». Un « plan cristallin » (ou plan réticulaire) lui, est défini par trois nœuds du réseau ne se situant pas sur une même rangée. Le plan est représenté par les indices de Miller (hkl, entiers le plus petits _{possibles). Tous les autres nœuds du réseau peuvent être disposés} dans des plans parallèles au précédent. Le réseau cristallin étant périodique, dans une direction donnée, tous les plans parallèles sont équidistants. L’ensemble de plans parallèles et équidistants ainsi constitué est appelé « famille de plans cristallins » (ou réticulaires) et la distance entre deux plans consécutifs est appelée « distance interéticulaire », notée dhkl. Les familles de plans équivalents par symétrie sont notées par les indices de Miller entre accolade

9

{hkl}. Par exemple, dans un réseau cubique, {100} représente l’ensemble des familles de plans des faces (100), (010), (001), (_{1̅00), (01̅0), (001̅).}

Maille cristalline : une maille est la plus petite portion du réseau ayant les mêmes symétries

que le réseau lui-même. Une maille est donc un prisme composé de plusieurs nœuds ; le réseau est un empilement de mailles élémentaires

Par exemple, pour les structures cubiques de la figure 1.2, les motifs (atomes) sont situés : - _{à chacun des 8 sommets (8 x 1/8) de la maille; on a donc 1 atome par maille, c’est la}

structure cubique simple (figure 1.1a);

- _{à chacun des 8 sommets (8 x 1/8) et au centre de la maille ce qui donne 2 atomes par} maille, c’est la structure cubique centrée (figure 1.1b);

- à chacun des 8 sommets (8 x 1/8) et au centre de chacune des 6 faces (6 x ½) ce qui donne un total de 4 atomes par maille, c’est la structure cubique à faces centrées (figure 1.1c)

Figure 1. 1: Les 3 structures cubiques des matériaux cristallins : (a) cubique simple (b) cubique centrée (c) cubique à faces centrées.

Tous les systèmes cristallins sont décrits par 7 grands types de mailles cristallines répartis en 14 réseaux (de Bravais) et leurs éléments de symétrie (voir annexe A-I). Un réseau est dit de Bravais si, à partir de chacun de ses points, on retrouve le cristal identiquement à lui-même, en structure, en orientation et en composition chimique. Le cristal est donc caractéristique de sa structure cristalline de base et des paramètres qui en découlent.

Le polycristal : la grande majorité des matériaux (métaux, alliages, céramiques…) est

constituée d’agglomérats complexes de petits cristaux (que l’on va par la suite appeler cristallites ou grains). Un polycristal est _{défini comme un agrégat de grains. L’interface entre} deux grains contigus est appelée joint de grains ; la plupart des propriétés macroscopiques du polycristal dépend fortement à la fois des propriétés individuelles des grains le constituant et de l’influence des joints de grains [2]. Le polycristal se caractérise par les dimensions, la forme de ses grains et par leur orientation les uns par rapport aux autres.

I.2- Défauts dans les matériaux cristallins

Le cristal défini jusqu’ici (répétition périodique d'une maille élémentaire) représente le cristal idéal. Les cristaux réels sont de structures différentes, du moins localement, car ils sont le siège de défauts de différentes natures. Ces défauts, qui peuvent être ponctuels, à une, deux ou trois dimensions ne sont pas toujours néfastes quant aux propriétés des matériaux ; dans beaucoup de cas, on les favorise lors des procédés de fabrications en vue d’obtenir un

Synthèse bibliographique

10

matériau final avec des propriétés spécifiques. Ces différents types de défauts et certaines de leurs influences sur les propriétés des matériaux sont listés dans le tableau I.1 (voir note de bas de page4).

Dimension Type Influence

0

Lacunes Diffusion à l’état solide

Défauts de Frenkel et de Schottky Conductivité électrique

(cristaux ionique) Atomes étrangers en (interstitiel, substitution) Propriétés mécaniques –

conductivité électrique (isolants et

semi-conducteurs)

1 Dislocations Propriétés mécaniques et _électriques

2 Macles, joints de grains, défauts d’empilement Propriétés mécaniques _(ductilité) 3 Précipités, inclusions Propriétés magnétiques- mécanique traitements et

thermiques

Tableau I. 1: Principaux défauts cristallins et certaines de leurs influences sur les propriétés des matériaux.

I.3– Les grandes classes de matériaux

Au sein de la matière, les atomes sont liés par des liaisons chimiques qui peuvent être de quatre types principaux : covalente, métallique, ionique et Van der Waals (ou hydrogène). Les propriétés d’un matériau sont fortement corrélées au type de liaisons entre les atomes car elles déterminent l’énergie de cohésion de celui-ci, la force nécessaire pour écarter les atomes le_{s uns des autres jusqu’à la rupture ainsi que le coefficient de dilatation, la conductivité} électrique ou thermique… Les matériaux sont souvent classés (par l’ingénieur) en trois grandes classes à partir du type de liaison mis en jeu entre les atomes : les métaux et leurs alliages (ductilité – liaisons métalliques et covalentes), les céramiques et les verres (fragilité et dureté – liaisons ioniques et covalentes), les polymères (déformabilité – liaisons de Van der Waals et de type hydrogène). En fonction de leur température de désintégration, les liaisons sont classées en liaisons fortes (métalliques, ioniques et covalentes) et liaisons faibles ou intermédiaires (Van der Waals et hydrogène).

Les matériaux peuvent aussi être subdivisés en se basant sur leur mode d’emploi : soit de structure, soit de fonction. La distinction n’est, en pratique, pas toujours claire, car un matériau doit le plus souvent remplir (pas toujours avec les mêmes exigences) les deux conditions d’emploi. De façon générale, les matériaux de structure ou à fonction structurale sont principalement destinés à résister, sans subir de déformation excessive et sans se rompre, à des sollicitations mécaniques. Ils doivent également résister à toutes les formes de détériorations (vieillissement, corrosion) ; ils peuvent être des métaux, des polymères, des céramiques ou des composites. Les matériaux de fonction sont ceux conçus, élaborés et mis en forme pour remplir une fonction associée à une propriété spécifique, physique _{– optique –}

4

D’après les cours : « Introduction, Structure, Défauts » de A.-F GOURGUES-LORENZON ; Collection Les Cours. Mines ParisTech 2006 et « Matériaux cristallisés » de Nicolas LEQUEUX, ESPCI-Paris 2015-2016.

11

électrique ou magnétique – chimique ou électrochimique, et intervenant dans un dispositif ou un système ; ils peuvent être des métaux, polymères, céramiques ou composites.

I.3.1- Matériaux composites

L'idée principale dans le développement des matériaux composites est de mélanger les propriétés de matériaux différents. Au sens large, le mot composite signifie constitué de deux ou de plusieurs parties différentes. Dans un sens beaucoup plus restrictif, un matériau composite peut être défini comme étant l’assemblage de deux matériaux de natures différentes, se complétant et permettant d’aboutir à un matériau dont les performances combinées peuvent être supérieures à celles des composants pris séparément [3]. En d’autres termes un matériau composite est donc un assemblage de plusieurs éléments qui produit une synergie entre les propriétés de ces éléments. Un composite est constitué d’un matériau de base (la matrice) et d’un matériau de renfort qui peut être sous forme de particules ou de fibres. Il existe différentes sous-classes de composites suivant la nature de la matrice : a) les composites à matrice organique (papier, carton, plastiques renforcés… b) les composites à matrice minérale (béton, composite céramique… c) les composites à matrice métallique. Les composites à matrice métallique (MMC) représentent un enjeu majeur dans plusieurs champs d’applications (aéronautique, spatial, militaire…) car ils exhibent à la fois de hautes propriétés mécaniques et/ou électriques à haute température et une masse volumique relativement faible. La figure 1.2 illustre les performances mécaniques d’un composite métallique cuivre/niobium en comparaison de celles du cuivre et du niobium pris séparément, dans le cas de fils obtenus à divers taux d’étirage. Nous verrons plus loin que les propriétés de ce composite sont supérieures aux prédictions des lois de mélange, car il y a aussi, après un certain taux d’étirage, une modification microstructurale qui induit un effet de taille, qui sera abordé au paragraphe I.4.

Synthèse bibliographique

12

Figure 1. 2 : Comparaison des propriétés mécaniques d’un composite Cu/20%Nb aux propriétés du cuivre et du niobium pris séparément [4, 5].

I.3.2- Matériaux multifonctionnels

A une époque où les termes « énergie », « environnement », « développement durable » sont au cœur des préoccupations sociétales, l’utilisation de matériaux multifonctionnels devient une nécessité. Un matériau multifonctionnel, comme son nom l’indique, est un matériau qui combine en un seul et unique système plusieurs propriétés lui permettant de réaliser des performances multiples. Ces matériaux innovants sont destinés à tous champs d’applications (ou presque). Dans le domaine militaire, le soldat de l’armée de terre peut bien illustrer le besoin de l’utilisation de matériaux multifonctionnel. En effet, le soldat « débarqué » peut être considéré comme étant un système complexe composé de sous-systèmes qui doivent être conçus de façon à garantir la fonctionnalité, la santé et la sécurité du soldat. Son uniforme, par _{exemple, doit être confectionné à l’aide de matériaux combinant} légèreté, résistance mécanique, résistance aux agents chimiques et biologiques et garantissant sa fonctionnalité en conditions environnementales extrêmes (froid, chaleur…). Il doit aussi être doté de systèmes antibalistiques et de communication faisant intervenir des technologies de pointe. Et tout ceci passe nécessairement par la mise au point de nouveaux matériaux tels que les matériaux multifonctionnels. Parmi ceux-ci, comme nous le verrons plus loin, on retrouve les alvéolaires, les matériaux autobloquants (cf. figure 1.3), les matériaux composites, les matériaux hybrides, les matériaux architecturés, pour ne citer que ceux-là. Au début des années 80, le terme de matériaux intelligents (« smart materials »), c’est-à-dire un matériau qui soit capable de s’adapter, sous l’effet d’un stimulus externe, pour mieux remplir leur mission dans un environnement changeant, est même apparu [6].

13

Les matériaux hybrides sont ceux obtenus par des combinaisons de deux (ou plus) matériaux monophasés assemblés de manière à avoir des propriétés non offertes par aucun des constituants pris séparément ; et partant de cette définition, les composites à renforts de particules ou de fibres, les structures « sandwich _{», le bois, … sont des types de matériaux} hybrides (cf. figure 1.3) [7]. Un matériau hybride est, le plus souvent, constitué à la fois d’espèces organiques et inorganiques. L’élément minéral peut être un métal (titane, zirconium, aluminium…) et la partie organique peut être soit inerte soit susceptible de polymériser par voie thermique ou par insolation UV [8, 9].

Le diagramme d’ASHBY de la figure 1.4 montre un exemple de performance des matériaux hybrides. Ce diagramme fait référence à un concepteur voulant fabriquer un matériau pour câble d’alimentation électrique de longue portée ; les caractéristiques principales d’un tel matériau sont une combinaison de bonne résistance mécanique et de conductivité électrique élevée. Sur ce diagramme, 1700 métaux et leurs alliages sont présentés. Les meilleurs conducteurs électriques sont le cuivre, l’aluminium et certains de leurs alliages, cependant, leurs résistances mécaniques sont médiocres ; ils ne peuvent donc pas satisfaire aux exigences du cahier des charges associé à ces câbles d’alimentation électrique. D’un autre côté, les matériaux les plus résistants sont le carbone et certains aciers qui ne sont pas bons conducteurs de l’électricité. En supposant que l’acier ne conduit pas l’électricité et que le cuivre a une résistance mécanique nulle, un matériau hybride fabriqué de 50% de fils de cuivre et de 50% de fils d’acier (encadré rouge en bas à gauche sur le diagramme), possède une résistance électrique valant deux fois celle du cuivre et la moitié de la résistance mécanique de l’acier [7]. Ce matériau hybride fabriqué à partir de deux matériaux monophasés allie donc deux propriétés (antagoniques) permettant ainsi de satisfaire aux exigences du cahier des charges.

Synthèse bibliographique

14

Figure 1. 3: Quatre familles de configuration de matériaux hybrides avec leurs fonctionnalités principales [7].

Figure 1. 4: Conception de matériau hybride pour la synergie entre résistance mécanique et conductivité électrique élevées [7].

15

La norme définit un nanomatériau comme étant un matériau composé (ou constitué) de nano-objets dont la taille est comprise entre 1 et 100nm et qui présente des propriétés spécifiques à l’échelle nanométrique. Cette définition repose sur des observations microstructurales : dans un matériau massif, c’est à partir de cette taille de grains que la fraction volumique d’atomes présents au niveau des joints de grains devient non négligeable [10].

Dans la référence [10], il a été rapporté une définition, plus rigoureuse, des nanomatériaux se basant sur des considérations physiques, fondées sur l’interaction microstructure-propriétés :

« Pour une propriété physique donnée, un nanomatériau est un matériau dont l’une des dimensions structurales est de l’ordre de grandeur ou inférieure à l’une des longueurs physiques caractéristiques de la propriété considérée ».

Cette définition repose sur deux grandeurs : une dimension structurale d, caractéristique de la microstructure et une longueur physique λ, caractéristique de la propriété étudiée. Des exemples de ces deux grandeurs sont donnés à la figure 1.5 ; pour la plasticité, λ peut

correspondre à la taille des

grains D, à

l’espacement entre précipité

L, etc.

Figure 1. 5: Exemples de dimensions structurales : taille de grains D, largeur des joints de grains δb, distance entre obstacles L,

largeur d’un obstacle R. Exemples de longueurs physiques caractéristiques : diamètre d’une boucle de dislocation d, distance entre deux dislocations partielles w, largeur d’une paroi de domaine magnétique δ [10].

Synthèse bibliographique

16

I.3.4.1- Affinement microstructural et plasticité cristalline

Il est bien établi que l’affinement de la microstructure d’un matériau a un impact sur sa plasticité. Il existe déjà un grand nombre d’articles sur les propriétés mécaniques des matériaux cristallins obtenus par réduction de la taille moyenne des grains [11-14]. La figure 1.6 illustre différents effets de l’affinement microstructural sur la plasticité cristalline. Comme nous pouvons l’observer sur cette figure, en partant d’un matériau à gros grains, la réduction de la taille des grains peut avoir différent_{s effets sur la limite d’élasticité. Différents} comportements et les mécanismes sous-jacents ont été reportés dans la référence [12] ; certains peuvent même entrainer une baisse de la limite d’élasticité.

En effet, le domaine I est traduit par une loi bien connue en science et ingénierie des matériaux : la loi de HALL et PETCH, décrite par la relation (1), met en évidence une dépendance en 1/_{√δ de la limite d’élasticité, δ étant la taille des grains :}

𝝈𝑴 = 𝝈𝟎+ 𝒌𝜹−𝟏 𝟐⁄ (1) σM est la limite d’écoulement macroscopique du matériau en MPa σ0 est idéalement la contrainte d’écoulement du monocristal en MPa δ est la taille moyenne des grains en mm

k est la constante de Hall-Petch en MPa mm1/2

17

Cette relation traduit l’augmentation de la résistance mécanique des matériaux par réduction de leur taille moyenne de grains. Comme nous pouvons l’observer sur la figure 1.6, la loi de HALL et PETCH reste valable jusqu’à une certaine taille de grain en dessous de laquelle on observe une déviation à cette loi que certains auteurs appellent la « loi de Hall-Petch inverse » [13, 15-19].

Depuis l’introduction de la loi de HALL et PETCH5_{, de nombreuses études ont été menées} sur les propriétés mécaniques des matériaux à grains ultrafins. Et, plusieurs modèles ont été proposés en vue d’expliquer l’origine physique de la loi dont ils sont à l’origine :

a) Le modèle d’empilement des dislocations associé à la formation d’empilements de dislocations aux joints de grains lorsque le matériau est soumis à contrainte extérieure. b) Le modèle de durcissement par dislocations qui suppose que la densité de dislocations

nécessaire pour entrer dans le régime plastique dépend de la taille de grain et évolue en 1/δ, où δ représente la taille de grain.

c) Le modèle considérant le joint de grain comme source de dislocation qui suppose que la relation de Hall-Petch dérive de la capacité du joint de grain à émettre des dislocations. La relation de Hall-Petch prévoit une dépendance en (δ)-1/2 _{de la limite d’élasticité ; cette} relation suppose que la limite d’élasticité doit tendre vers infini lorsque la taille de grain tend vers zéro. Cependant, des études expérimentales ont montré que, pour une certaine taille de grain, la limite d’élasticité cesse d’augmenter avec la diminution de la taille de grain. Dans le cas de matériaux à grains ultrafins ou nanométriques (domaine II de la figure 1.6), d’autres phénomènes comme l’émission des dislocations par les joints de grains, leur propagation dans le grain puis leur accumulation et leur absorption dans les joints de grains prédominent dans les mécanismes de la déformation plastique [20-23]_{. Cependant, d’autres mécanismes peuvent} intervenir dans le phénomène de plasticité dans le cas de matériaux de types composites. Par exemple, F. Dupouy-Lecouturier et L. Thilly ont mis en évidence un comportement de type whiskers des renforts de niobium dans les nanocomposites filamentaires Cu/Nb [24]. La limite d’élasticité est alors proportionnelle à 1/δ ; notons que, comme nous le verrons au chapitre V, le comportement de type whiskers peut aussi être traduit par une loi exponentielle. La plasticité des whiskers est supposée contrôlée par la nucléation de nouvelles dislocations. Un mécanisme de type « boucles unitaires d’Orowan » pour des composites multicouches Cu/Nb a été rapporté dans la référence [11] avec une dépendance en ln (δ)/δ de la limite d’élasticité.

I.3.4.2- Obtention des Matériaux nanostructurés

Deux approches sont le plus souvent utilisées pour réduire la taille des grains des matériaux :

a) L’approche « bottom-up » signifiant littéralement « de bas en haut » (et qui ne sera pas traitée ici) consiste à synthétiser atome par atome, couche par couche, et/ou

5 _{La loi de Hall et Petch, établie initialement pour des contraintes de clivage, a depuis été étendue à la limite}

Synthèse bibliographique

18

agglomération-consolidation de nanoparticules pour former un matériau massif à grains ultrafins.

b) _{L’approche « top-down » signifiant littéralement « de haut en bas » consiste en la} subdivision de la taille des grains d’un matériau massif à gros grains par accumulation de déformations. Contrairement à la première approche utilisée en métallurgie des poudres, cette dernière (déformation plastique sévère) offre, entre autres, la possibilité d’obtenir un matériau massif exempt de porosité.

I.3.4.3- Techniques de déformation plastique sévère

La déformation Plastique Sévère (ou intense) est un terme générique qui regroupe les techniques s’appuyant sur des procédés de mise en forme de matériaux par application de déformations importantes permettant l’affinement de leur microstructure, accompagné de la formation progressive de grains fortement désorientés (HAGBs, High Angle Grain Boundaries) [20]. Cet affinement de la microstructure entraîne une augmentation de la résistance mécanique du matériau. W.A. Spitzig et P. D. Krotz ont ainsi mis en évidence l’évolution de la contrainte maximale de traction (UTS) d’un composite in-situ Cu/Nb avec l’affinement de la microstructure. Ils ont comparé les valeurs d’UTS du composite avec celles du Cu, du Nb et des prédictions de la loi de mélange (voir figure 1.2) [5]. On voit clairement l’évolution spectaculaire de l’UTS du composite ; pour des filaments de Nb de diamètre 3,8µm (obtenus à des taux de déformation de l’ordre de 12), l’UTS du composite vaut plus du triple de celle prédite par la loi des mélanges. Toutes les techniques de Déformation Plastique Sévère mettent en jeu, pour l’affinement des microstructures, le confinement de la matière afin _{d’éviter les instabilités et la rupture des matériaux en cours de fabrication. Ces techniques} qui continuent à se développer, intéressent une bonne partie de la communauté scientifique et industrielle.

Seule l’AccumulativeDrawing and Bundling (ADB) sera présentée à la section suivante ;

pour plus de détails sur les différentes techniques de SPD, le lecteur pourra se référer au chapitre I de la thèse de V. Vidal où sont exposées les principales techniques de SPD [21] et aussi la référence [20] où R.Z. Valiev a passé en revue les principales techniques de SPD et les propriétés obtenues.

I.3.4.4- Extrusion et ré-empilements successifs (ou ADB : Accumulative Drawing and Bundling)

Mise au point par F.P. Levi dans les années 1960 et développée pour la fabrication des câbles supraconducteurs Cu/Nb/Sn, l’Accumulative Drawing and Bundling (ADB) est une variante des techniques de déformation plastique intense qui offre, entre autres, la possibilité de fabriquer des matériaux composites. Elle permet, par confinement de la matière lors du passage de la billette dans une filière, d’atteindre de forts taux de déformation sans endommager la pièce. Cette technique consiste en une série d’étapes d’extrusion à chaud, d’étirage à froid, de découpe et de ré-empilement, formant un cycle pouvant se répéter n fois. La figure 1.7 schématise cette technique pour la fabrication en six étapes de fils supraconducteurs Cu/Nb/Sn par Alstom/MSA [22]. A la première étape (étage 0), des composite monofilamentaires Cu/Nb sont fabriqués, ces composites sont ensuite assemblés,